CN110346422A - 一种基于凹凸棒的湿度传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于凹凸棒的湿度传感器及其制备方法，属于湿敏元件及其制备技术领域，一种基于凹凸棒的湿度传感器，包括衬底，所述衬底表面含有叉指电极，所述衬底上涂覆有湿度感应层，所述湿度感应层完全覆盖所述叉指电极，所述湿度感应层是由凹凸棒和溶剂制成，所述凹凸棒与所述溶剂的质量比为1∶1‑5。利用凹凸棒比表面积大和亲水的特性，将凹凸棒和溶剂和上述质量比混合均匀后涂覆在衬底及叉指电极表面，形成湿度感应层，本申请的湿度传感器阻抗变化超过5个数量级，湿滞约为3.5％，湿滞较小，具有良好的响应恢复特性，具有性能高，成本低廉的优点。

Description

一种基于凹凸棒的湿度传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及湿敏元件及其制备技术领域，具体涉及一种基于凹凸棒的湿度传感器及其制备方法。
背景技术
湿度测量技术发展已有200多年历史，人们对湿敏元件的认识是从1938年美国F.W.Dummore研制成功浸涂式LiCl湿敏元件才开始的，从此以后，已有几十种湿敏元件及传感器应运而生。
相对湿度作为家居、工业、农业和医疗等场所的一个重要环境参数，发展高性能、低成本的湿度传感器对其进行准确监测是十分必要的。
湿度传感器是指能将湿度转换为与其成一定比例关系的电量输出的器件式装置。主要特征参数有湿度量程、感湿特征量、灵敏度、湿度温度系数、响应时间和湿滞回差。
湿敏材料作为湿度传感器的核心，其重要特征是含有亲水性官能团、具有亲水特性。当前湿敏材料主要可以分为：陶瓷类、有机高分子类、电解质类、介孔分子筛类。陶瓷类湿敏材料稳定性好、寿命长、价格低廉等优点，但准确度较低、难以集成化；高分子化合物类湿敏材料适于批量生产，材料来源广泛，但在高温和高湿条件下性能变差、稳定性差、抗腐蚀和抗沾污能力差；电解质类湿敏材料灵敏度高，但测量范围窄、可重复性差、使用寿命短等；介孔分子筛类湿敏材料不仅湿度敏感性能好，响应快，而且稳定性好、寿命长，然而其工艺复杂，耗能高。
为了发展高性能、低成本的湿度传感器，一方面，研究者利用新型制备工艺改善传统湿敏材料的湿敏性能；另一方面，利用新型湿敏材料提高湿度传感器的性能。目前所报道的湿度传感器通常不能兼顾高性能和低成本。
发明内容
针对上述现有的湿度传感器通常不能兼顾高性能和低成本的缺陷，本发明提供一种基于凹凸棒的湿度传感器及其制备方法。
一种基于凹凸棒的湿度传感器，包括衬底，所述衬底表面含有叉指电极，所述衬底上涂覆有湿度感应层，所述湿度感应层完全覆盖所述叉指电极，所述湿度感应层是由凹凸棒和溶剂制成，所述凹凸棒与所述溶剂的质量比为1∶1-5。
本申请的技术方案中：凹凸棒(Mg5Si8O20(OH)2(OH2)4·4H2O)，又称坡缕石或坡缕缟石，是一种具链层状结构的含水富镁铝硅酸盐粘土矿物，几乎遍及世界各地，成本低廉，具有比表面积大、分散性能好、耐高温、抗盐碱和亲水等特性，利用凹凸棒比表面积大和亲水的特性，将凹凸棒和溶剂和上述质量比混合均匀后涂覆在衬底及叉指电极表面，形成湿度感应层，本申请的湿度传感器阻抗变化超过5个数量级，湿滞约为3.5％，湿滞较小，具有良好的响应恢复特性，具有性能高，成本低廉的优点，解决了上述现有的湿度传感器通常不能兼顾高性能和低成本的缺陷。
优选的，所述凹凸棒与所述溶剂的质量比为1∶2。
优选的，所述溶剂为去离子水、乙醇或丙酮。
优选的，所述湿度感应层的厚度为20-100μm。
优选的，所述叉指电极的数量为1-10对，每对所述叉指电极的叉指间距为100-500μm。
更为优选的，所述叉指电极的数量为5对，每对所述叉指电极的叉指间距为150μm。
优选的，所述衬底为三氧化二铝、硅、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、纸张或织物中的一种。
一种基于凹凸棒的湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)将凹凸棒与溶剂混合均匀，得凹凸棒溶液；
(2)将凹凸棒溶液涂覆在含有叉指电极的衬底上形成湿度感应层；
(3)将具有湿度感应层的衬底置于20-100℃下干燥1-5小时，即得凹凸棒湿度传感器。
一种基于凹凸棒的湿度传感器的制备方法：将凹凸棒溶液均匀的涂覆在具有叉指电极的衬底上，经过干燥，即完成了凹凸棒湿度传感器的制备，本申请的凹凸棒湿度传感器结构简单，制备方法简便，耗能低，成本低，阻抗变化超过5个数量级，具有较小的湿滞，湿敏响应好。
优选的，步骤(2)中涂覆为用涂料笔涂覆、旋涂、滴涂、气喷、或浸渍法涂。
优选的，步骤(3)中，将具有湿度感应层的衬底置于70℃下干燥2小时。
本申请的技术方案中，所述凹凸棒采自市售为纳米棒状结构。
相较于现有技术，本发明的有益效果是：
(1)本申请的湿度传感器阻抗变化超过5个数量级，湿滞约为3.5％，湿滞较小，具有良好的响应恢复特性，具有性能高，成本低廉的优点；
(2)将凹凸棒溶液均匀的涂覆在具有叉指电极的衬底上，经过干燥，即完成了凹凸棒湿度传感器的制备，制备方法简便，耗能低，成本低；
(3)本申请的凹凸棒湿度传感器结构简单，有利于大规模制造、推广和使用；
(4)首次将凹凸棒作为湿度感应层应用于湿度传感器上，对发展结构简单、制备技术简便、成本低和高性能的湿度传感器的具有重要意义。
附图说明
图1是本发明所述凹凸棒的透射电子显微镜图；
图2是本发明凹凸棒湿度传感器的阻抗-相对湿度曲线图；
图3是本发明凹凸棒湿度传感器的湿滞曲线图；
图4是本发明凹凸棒湿度传感器在0％和91.5％相对湿度切换下的响应-时间曲线图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
一种基于凹凸棒的湿度传感器，其特征在于：包括衬底，所述衬底表面含有叉指电极，所述衬底上涂覆有湿度感应层，所述湿度感应层完全覆盖所述叉指电极，所述湿度感应层是由凹凸棒和溶剂制成，所述凹凸棒与所述溶剂的质量比为1∶1；所述溶剂为乙醇；所述湿敏感应层的厚度为20μm；所述叉指电极的数量为1对，每对所述叉指电极的叉指间距为500μm；所述衬底为三氧化二铝。
实施例2
一种基于凹凸棒的湿度传感器，其特征在于：包括衬底，所述衬底表面含有叉指电极，所述衬底上涂覆有湿度感应层，所述湿度感应层完全覆盖所述叉指电极，所述湿度感应层是由凹凸棒和溶剂制成，所述凹凸棒与所述溶剂的质量比为1∶2；所述溶剂为去离子水；所述湿敏感应层的厚度为30μm；所述叉指电极的数量为5对，每对所述叉指电极的叉指间距为150μm；所述衬底为硅。
实施例3
一种基于凹凸棒的湿度传感器，其特征在于：包括衬底，所述衬底表面含有叉指电极，所述衬底上涂覆有湿度感应层，所述湿度感应层完全覆盖所述叉指电极，所述湿度感应层是由凹凸棒和溶剂制成，所述凹凸棒与所述溶剂的质量比为1∶5；所述溶剂为丙酮；所述湿敏感应层的厚度为100μm；所述叉指电极的数量为10对，每对所述叉指电极的叉指间距为100μm；所述衬底为聚酰亚胺。
实施例4
基于实施例2，所述所述衬底为聚醚酰亚胺。
实施例5
基于实施例2，所述所述衬底为纸张。
实施例6
基于实施例2，所述所述衬底为织物。
实施例7
基于实施例1-6，一种基于凹凸棒的湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)将凹凸棒与溶剂混合均匀，得凹凸棒溶液；
(2)将凹凸棒溶液涂覆在含有叉指电极的衬底上形成湿度感应层；所述涂覆为涂料笔均匀涂覆；
(3)将具有湿度感应层的衬底置于20-100℃下干燥1-5小时，即得凹凸棒湿度传感器。
实施例8
基于实施例2，一种基于凹凸棒的湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)将凹凸棒与溶剂混合均匀，得凹凸棒溶液；
(2)将凹凸棒溶液涂覆在含有叉指电极的衬底上形成湿度感应层；所述涂覆为旋涂；
(3)将具有湿度感应层的衬底置于70℃下干燥2小时，即得凹凸棒湿度传感器。
实施例9
基于实施例7，一种基于凹凸棒的湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)将凹凸棒与溶剂混合均匀，得凹凸棒溶液；
(2)将凹凸棒溶液涂覆在含有叉指电极的衬底上形成湿度感应层；所述涂覆为浸渍法涂；
(3)将具有湿度感应层的衬底置于20-100℃下干燥1-5小时，即得凹凸棒湿度传感器。
试验例
根据实施例8制备的基于凹凸棒的湿度传感器，性能测试按照本领域已公开的方法进行，具体方法为：用CHS-1智能湿敏分析系统(北京艾立特科技有限公司)对上述制备的湿度传感器的阻抗信号进行测试，不同相对湿度环境由鼓泡法获得，并由高精度湿度传感器进行校准，相对湿度包括0％、10.9％、18.7％、28.8％、41.1％、51.9％、60.8％、70.0％、79.3％、86.7％和91.5％；
本发明技术方案中，凹凸棒为纳米棒状结构，透射电子显微镜图如图1所示，直径为20-40nm；
由图2知，试验例测定的基于凹凸棒的湿度传感器的阻抗变化超过5个数量级，在1伏交流电、100赫兹工作频率下测定；
由图3凹凸棒湿度传感器的湿滞曲线图知，湿滞约为3.5％，具有较小的湿滞；
由图4凹凸棒湿度传感器在0％和91.5％相对湿度切换下的响应-时间曲线图知，显示出基于凹凸棒的湿度传感器具有良好的响应恢复特性。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于凹凸棒的湿度传感器，其特征在于：包括衬底，所述衬底表面含有叉指电极，所述衬底上涂覆有湿度感应层，所述湿度感应层完全覆盖所述叉指电极，所述湿度感应层是由凹凸棒和溶剂制成，所述凹凸棒与所述溶剂的质量比为1∶1-5。
2.根据权利要求1所述的一种基于凹凸棒的湿度传感器，其特征在于：所述凹凸棒与所述溶剂的质量比为1∶2。
3.根据权利要求1所述的一种基于凹凸棒的湿度传感器，其特征在于：所述溶剂为去离子水、乙醇或丙酮。
4.根据权利要求1所述的一种基于凹凸棒的湿度传感器，其特征在于：所述湿度感应层的厚度为20-100μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于凹凸棒的湿度传感器，其特征在于：所述叉指电极的数量为1-10对，每对所述叉指电极的叉指间距为100-500μm。
6.根据权利要求5所述的一种基于凹凸棒的湿度传感器，其特征在于：所述叉指电极的数量为5对，每对所述叉指电极的叉指间距为150μm。
7.根据权利要求1所述的一种基于凹凸棒的湿度传感器，其特征在于：所述衬底为三氧化二铝、硅、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、纸张或织物中的一种。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于凹凸棒的湿度传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将凹凸棒与溶剂混合均匀，得凹凸棒溶液；
(2)将凹凸棒溶液涂覆在含有叉指电极的衬底上形成湿度感应层；
(3)将具有湿度感应层的衬底置于20-100℃下干燥1-5小时，即得凹凸棒湿度传感器。
9.根据权利要求8所述的一种基于凹凸棒的湿度传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中涂覆为用涂料笔涂覆、旋涂、滴涂、气喷、或浸渍法涂。
10.根据权利要求8所述的一种基于凹凸棒的湿度传感器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，将具有湿度感应层的衬底置于70℃下干燥2小时。
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